硬件基础知识-二极管基础

最详细的二极管基础

最近看到一个奇怪的电路符号，很熟悉，但是却想不起来它到底是干什么用的了。知识的用进退废在我的脑子里展现的淋漓尽致。就下面这个符号，这就是一个典型的二极管的标志。可二极管到底能做什么用呢？其实标志上就说的一清二楚了：单向导通电流。
就这个单向导通的功能，奠定了二极管极为重要的应用基础。它就像城市中的单向道路，指导电流向你想要的地方前进。虽然我很讨厌单向道路。但是在电路中就很喜欢了，因为我们想掌控电路中的一切。

一个理想的二极管就像一扇单向开的门一样，只允许电流超一个方向流通，这个流通的方向称为正向，而阻止电流超另一个方向流通，这个方向就是反向。

二极管的种类

根据二极管的特性，可以将二极管分成多个类型。

齐纳二极管——齐纳二极管是二极管的一种，它允许电流正向流动，它也可以工作在反向击穿但在击穿状态下，齐纳二极管有稳压应用，齐纳二极管使用pn结在反向偏置模式，给齐纳效应。
隧道二极管——隧道二极管用于微波应用。
肖特基二极管——肖特基二极管是一种金属-半导体结二极管，也称为热载流子二极管、低压二极管或肖特基势垒二极管。肖特基二极管由半导体与金属的结形成。肖特基二极管提供快速开关动作并具有低正向压降。正如我们所知，在PN结二极管中，p型和n型连接在一起形成PN结。而在肖特基二极管中，使用铂或铝等金属代替 P 型半导体。
发光二极管——它是最有用的一种二极管，当二极管以正向偏置连接时，流过结的电流产生光。
可变电容二极管——这种二极管也称为VARICAP二极管，尽管可变电容的输出可以表现出一般的pn结二极管，但由于它们是不同类型的二极管，这种二极管被批准提供首选的电容变化。
光电二极管——这种以一定的光能产生电流的二极管落在它上面，在正向偏置电流从p转移到n的情况下，而在反向光电流反向流动的情况下，有两种类型的光电二极管即PN光电二极管和PIN光电二极管。

二极管的构造

我们知道有两种类型的半导体材料：本征半导体和外征半导体。在本征半导体中，电子数和空穴浓度在室温下是相等的。在非本征半导体中，将杂质添加到半导体中以增加电子数或空穴数。这些杂质是五价（砷、锑、磷）或三价（硼、铟、铝）。

半导体二极管有两层。一层是p型，另一层是n型半导体。

如果我们在半导体（硅和锗）中添加三价杂质，则会出现更多的空穴并且它是正电荷。因此这种类型的层被称为 p 型层。

如果我们在半导体（硅或锗）中添加五价杂质，由于电子过多，就会产生负电荷。因此这种类型的层被称为n型层。

在 N 型区域中，多数电荷载流子是电子，少数电荷载流子是空穴。而在 P 型区域中，大多数电荷载流子是空穴，而负电荷载流子是电子。由于浓度差异，扩散发生在大多数电荷载流子中，它们与相反的电荷重新结合。它产生正离子或负离子。他们聚集在路口附近。而这个区域被称为耗尽区。

当二极管的正极或p型接负极，n型或负极接电池正极时，这种二极管接反偏。

当正极或p型端接电池正极，n型或负极接电池负极时，这种二极管接正向偏压。

前向偏置

在偏置半导体连接到外部源。当 p 型半导体连接到源或电池的正极端子而负极端子连接到 n 型时，则称这种类型的结是正向偏置的。在正向偏压中，结附近的内建电场方向与外加电场方向相反。这意味着合成电场的大小小于内置电场。因此，电阻率较小，因此耗尽区较薄。在硅中，电压为 0.6 V 时，耗尽区的电阻完全可以忽略不计。

反向偏置

在反向偏置中，n 型连接到电池的正极，p 型连接到电池的负极。在这种情况下，施加的电场和内建电场的方向相同，并且电场的结果比内建电场的幅度更大，从而产生更大的电阻，因此耗尽区更厚。如果施加的电压变大，则耗尽区变得更电阻和更厚。

无偏二极管

当没有外部源应用于半导体时，称为无偏二极管。电场建立在 p 型和 n 型材料之间的耗尽层上。发生这种情况是因为不平衡。由于掺杂而产生的电子和空穴。在室温下，对于硅二极管来说，0.7V 是势垒电位。

二极管的特性

二极管IV曲线

请注意，对于典型二极管，y 轴上的电流在 0.7 伏的正向电压下如何流过二极管。击穿电压是电流开始沿相反方向流动的地方，对于典型的二极管来说，这是 -50 伏特。所有真正的二极管也会有漏电流，其中电流会在没有正向偏置时从阴极流向阳极。有时，您可能需要了解其他特性，例如二极管电阻。对于许多电路来说，这并不是一个真正出现的因素。然而，对于更敏感的电路，在正向偏置模式下计算二极管电阻的一种方法是您可以使用经典的电阻 = 电压 / 电流方程。在这种情况下，您可以针对不同的电路模式测量二极管两端的二极管电压降，这些电路模式与通过二极管的电流有关。

二极管方程

Is = 暗饱和电流

q = 电子电荷值

Vd = 二极管两端的电压

n = 理想因子，对于理想二极管，n = 1，对于实际二极管，n = 1 到 2

k = 玻尔兹曼常数，1.38064852E-23 焦耳/开尔文

T =温度（开尔文）

常见的二极管电路

整流二极管

半波整流

如果我们只想要一个正弦信号的上半部分，可以直接在电路中加入一个二极管，利用二极管的单向导通作用，滤除信号的下半部分。如下图所示。

全波整流

半波整流有个缺点就是有一半的信号能量给消耗掉了，有时候我们更需要全波整流。这个时候可以用下面的二极管电路来实现。如下图所示（动画有点慢，耐心看完）

反激二极管

这个有时候也叫缓冲二极管、续流二极管和抑制二极管。反激二极管是一种使用二极管来减少突然电压尖峰的便捷方式，该尖峰在通过感性负载的电流突然变化时发生。正如我们在关于电感器的文章中所讨论的那样，每当电感器看到通过它的电流发生变化时，它都会产生一个 EMF 电压尖峰以试图稳定电流变化。

在许多电路中，这种产生的 EMF 通常是不需要的，有时会损坏电路的其他部分。为了消除损坏，可以放置一个二极管，以便在出现 EMF 电压尖峰时鼓励电流流过二极管，而不是流经可能损坏的其他电路组件。一个有用的常见电路是小型风扇或继电器电感器的控制。通常，大多数数字引脚可以提供小于 20 毫安的电流，因此需要电流放大器。请参见下面的示例二极管原理图。

NPN 晶体管在这里工作得很好，因为数字引脚可以提供 10 毫安的电流来打开 NPN 晶体管，并且晶体管可以处理风扇或继电器电感器所需的安培左右的电流。每当晶体管关闭时，电感器就会看到电流急剧下降并产生反电动势尖峰。

如果没有二极管，尖峰将流过晶体管，通常会损坏它。通过将二极管与电感器并联，EMF 电压尖峰使二极管导通，并允许电流流过二极管并返回电感器并消散。这种电流回流到电感器是这种二极管名称的来源。

稳压二极管

齐纳二极管设计为在击穿电压模式下工作。利用这一点的一种方法是使用齐纳稳压器。我们只需要一个电阻和一个正确选择的齐纳，就可以为我们提供所需的电压输出。下面可以看到一个示例齐纳二极管电路。

齐纳二极管会将输入电压降至该电路中二极管的击穿电压以用于输出。为了做到这一点，它必须允许电流流过二极管，这将作为热量消散，但仅当输入电压高于击穿电压时。所需的输出电压将决定齐纳二极管，因为您将根据其击穿电压选择二极管以匹配输出电压。你必须得到一个可以处理必须耗散的功率的二极管。

阻塞二极管

二极管的这种使用只是对二极管用于引导电流仅沿一个方向流动的情况的名称。

一个很好的例子是太阳能电池板和电池充电器电路。当太阳出来并且太阳能电池板产生电流时，它们的电压通常会高于电路正在充电的电池，因此电流将从电池板流入电池。

然而，在夜间，没有阳光照射到太阳能电池板上，因此它们不会产生电流。此时电池将处于更高的电压并且没有阻塞二极管，电流将从电池流入面板，浪费能量。当在太阳能电池板和电池之间放置一个二极管时，它将允许电流从电池板流入电池，但不允许电流从电池流入电池板。因此，它“阻止”了电流以不希望的方式流动。

另一个有用的地方是电路中的电池。任何时候有人可能将电池装反，或将直流电源插反，保护电路的好方法是使用阻塞二极管。

二极管确保只有正确的电压极性才能让电流流入电路，保护它们免受负电压的影响。

钳位二极管

钳位二极管只是一种使用电容器和二极管来控制信号直流电平的方法。在下面的示例电路中，电容器和二极管在输入交流信号上产生直流偏移。

如果我们想向另一个方向进行 DC 偏移，那么我们只需反转二极管的方向，如下所示。

如果你在二极管和地之间放置一个电压源，你可以走得更远，这样你就可以在所需的方向上增加更多的直流偏置。

削波二极管

与钳位相反的是剪辑。在这里，您可以使用串联电阻器和二极管来截取输入信号中不需要的部分。对于正向限幅，二极管的布置使其在信号高于正向电压时导通，因此二极管传导电流，将上限电压限幅在 0.7 伏左右。下面可以看到一个例子。R2 只是一个示例电阻器，不是必需的。

在上面的示例中，请注意最大上电压如何被限制在 0.7 伏特，这是二极管的正向电压。

如果需要负削波，您可以简单地翻转二极管。在这种情况下，只要信号输入为负值超过正向电压，二极管就会导通并传导电流，将负信号限制在 -0.7 伏特。下面是一个例子。同样，不需要 R2。请注意信号的负部分如何被削波到 -0.7 伏。

参考资料

https://byjus.com/physics/photodiodes-applications/

https://www.circuitbasics.com/what-is-a-diode/

https://byjus.com/physics/diodes/

https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/electrical/what-is-a-diode

https://www.geeksforgeeks.org/what-is-a-diode-definition-working-types-applications/

https://www.electronicsdesignhq.com/diodes/

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参考文章：《最详细的二极管基础》